核電，能否補上AI算力能耗短板？
01
三哩島核電重啓，全球核電復興浪潮
繼算力之後，全球科技巨頭們又盯上了以核電爲代表的電力。
故事的開始要從微軟連續大手筆“囤電”講起。9月底，微軟公司宣佈，與星座能源公司達成協議，購買三哩島核電站未來20年內的電能。
賓夕法尼亞州米德爾頓三哩島核電站計劃在 2028 年之前投入運營，並將由微軟購買其生產的所有電力
星座能源公司上週表示，公司與微軟簽署了一項長期協議，爲該公司的數據中心供電。作爲協議的一部分，星座計劃在賓夕法尼亞州重啓一座三裡島核反應堆，該反應堆與1979年因事故而關閉的反應堆相鄰。
三裡島核電站的重新啓動仍需要聯邦、州和地方的批准。美國核管理委員會（NRC）發言人表示：“星座公司有責任闡明重啓的理由，因此我們準備與該公司就下一步行動進行接觸。”
而早在去年5月，微軟與核聚變技術公司Helion Energy簽訂購電協議，Helion計劃在2028年前讓首座核電廠開始運轉，目標發電量達50兆瓦。預計Helion Energy第七代機器“北極星”（Polaris）有可能在今年上線發電，將用高功率電磁脈衝、氦-3燃料來實現聚變。
這已經是軟件巨頭第二次出手，而與微軟“囤電”行爲相對應的是全球核電的重啓與復興。
02
全球核電重啓浪潮
從遙遠的切爾諾貝利到不久之前的福島，一直以來，核能/核電都是人類眼中的“雙刃劍”，作爲技術成熟的清潔能源，核電足以擔當“推動人類社會進步”的讚譽，但數次核電危機的陰霾又是每個人心頭揮之不去的陰影。
微軟本次與星座能源公司合作的主角“三哩島核電站”在1979年時就曾因事故導致部分堆芯熔燬引發公衆恐慌，被迫關閉其二號機組。這一事件提升了人們對核電站潛在安全隱患的擔憂，並在接下來的幾十年裡對核能熱情驟降。經濟重壓之下，三哩島一號機組也在2019年停運。不過，Dominguez表示，它仍然是公司“性能最好的反應堆”。
三哩島並非美國重啓的第一座核電站，早在2024年3月，拜登政府宣佈，美國聯邦政府將提供 15 億美元（約合 108 億元人民幣）貸款，用於重啓密歇根州西南部的Palisades核電站，其成爲美國曆史上首次重啓已關閉的核電站。同三哩島核電站關閉的原因不同，Palisades核電站有 800 MWe產能，自1971年起由密歇根州的CMS Energy公司擁有，2007年被出售給路易斯安那州的Entergy公司。由於市場和運營因素，該電站於2022年停止運營。
近年來，隨着數據中心數量的增加，以及新制造業的崛起，對電力的需求顯著上升，核電作爲一種穩定、無碳的電力來源重回大衆視野，並逐漸成爲科技公司尋求能源解決方案的重點。
除美國外，日本內閣也在2023年2月批准了一系列法案，其中包括一項《核能基本法》的修正案，根據該修正案，日本可以“採取必要措施，通過核能確保穩定的電力供應”；3月，日本內閣批准《實現綠色轉型基本方針》對核電提出三項規定，一是到 2030 年將核電佔比提高至 20%—22%，二是對現有核電機組進行延壽，三是在已有廠址上新建核電機組替代關停的核電機組。
隨後，東京電力公司位於新潟縣的柏崎刈羽核電站的 7 號機組已開始裝入核燃料，這將作爲日本核能復興的一部分，有助於當地降低電力成本。柏崎刈羽核電站共有7臺機組，總容量約爲8000兆瓦。7號反應堆的重啓是其系列計劃的一部分，並預計到 2025 年全日本將有五座核反應堆重新上線。
美、日都在積極推動核電站重啓
重啓之外，計劃新建核能規模也相當驚人。
據美國能源部官網消息，12月2日，美國與其他21個國家在迪拜舉行的《聯合國氣候變化框架公約》第28次締約方大會（COP28）上發起《三倍核能宣言》（下稱《宣言》），擬推進實現到2050年將全球核能裝機容量較2020年增加兩倍的目標，並邀請國際金融機構的股東鼓勵將核能納入能源貸款政策。有意思的是中國作爲目前全球核電裝機第三大、在建核電規模最大的國家，尚未加入這一《宣言》。此外，俄羅斯、巴西、巴基斯坦、阿根廷、印度等國也沒有加入。
巧合的是，巴基斯坦是中國自主三代核電技術“華龍一號”落戶海外的第一站。阿根廷是“華龍一號”走出中國國門的第二站。
根據《三倍核能宣言》，其三倍核能目標與一些國際機構2050年全球實現碳中和的假設相一致，中國的雙碳承諾是到2060年實現碳中和。目標的差異，可能也是中國未加入宣言的原因之一。
03
一次性覈准11臺機組，謀劃核電第一
隨着全球各個核電大國新一輪的核電發展計劃，全球核電發展預計在未來幾年迎來新的發展高潮。
我國雖然沒有加入《三倍核能宣言》，但根據中國核能行業協會2024年4月發佈的《中國核能發展報告2024》藍皮書，截至2023年底，中國正在運行的核電機組共55臺，總裝機容量5,703萬千瓦，僅次於美國、法國，位居全球第三。
截至目前，我國在建核電機組26臺，總裝機容量3,030萬千瓦，繼續保持世界第一。預計2030年前，中國在運核電裝機規模有望超過美國成爲世界第一，在世界核電產業格局中佔據更加重要的地位。
與此同時，2024年8月19日，經國務院常務會議審議決定覈准5個核電項目，共10臺三代核電機組和1臺四代高溫氣冷堆機組。而至2019年起我國核電機組重啓審批，2022/2023年覈准提速，每年新增覈准核電機組數量均達到10臺，未來我國自主三代核電有望按照每 6—8臺機組的核準節奏穩步推進；在建機組數量從2019年起增長提速，2023年在建機組數量環比增加5臺至24臺，在建核電機組容量同比增長27.38%至2905.14萬千瓦。中國核能協會預計到2035年核電發電量佔比將達 10%，截至 2024年7月中國核電發電量佔比爲 4.73%；此次超預期一次性覈准11臺機組，核電發展進入提速階段。
我國核電規模提速的主要原因之一，是第三代以及第四代核電站技術的穩步落地。
2021年1月30日，我國自主三代核電技術“華龍一號”全球首堆福建福清核電站5號機組投入商業運行，成爲繼美國、法國、俄羅斯等國家之後真正掌握自主三代核電技術的國家。
目前我國核電裝備製造產業已形成了每年10 臺/套百萬千瓦級壓水堆主設備的製造能力，且自主三代核電綜合國產化率達到90%以上。截至2024年4月，國內外有5臺“華龍一號”機組已投運，有13 臺正在建設。
而華能石島灣高溫氣冷堆示範工程（HTR-PM）作爲全球首座第四代核電站於2023年12月開始商業運行，項目設備國產化率達到 93.4%，核心設備及系統（反應堆壓力容器、主氦風機、蒸汽發生器等）大多數爲世界首臺（套），並於2024年3月在四代核能綜合利用上實現了突破。
“玲龍一號”屬於第四代核電站當中的微型核電站
從佔據主導的第二代技術到第三代、第四代，除更高效經濟的核能利用率外，最主要的還是安全性和可靠性的進步。關於這種高安全性是如何實現的，後文會有詳細解釋，在此之前，我們還是先把目光轉向海外，探究一下這一輪核電熱潮的最大需求從何而來。
04
AI爆發，電力已成稀缺資源
自ChatGPT問世，AI技術在全球掀起旋風，各大科技巨頭競相建立數據中心以支持生成式AI應用，而今年5月底NVIDIA CEO黃仁勳的演講就提及了“AI工廠”的願景，再加上NVIDIA算力卡的供不應求，從各個角度都證實了全球AI對算力需求的激增。
全球數據中心電力需求趨勢和預測，AI的出現讓供電成爲瓶頸
但目前最大的問題在於，AI數據中心的電力需求極高，根據卡內基梅隆大學的研究顯示，在ChatGPT輸入一個簡單的問題，服務器所消耗的電力就是谷歌單次搜索的10倍，ChatGPT聊天機器人每天耗電超過50萬度，而全球數據中心的耗電量已從十年前的100億瓦增加到如今的1000億瓦水平，約佔全球總電力消耗的1%左右，這一比例還會隨着數據量的增長而增加，因爲未來對大數據的需求只會有增無減，對電力的需求也會水漲船高——最新研究表明，2027年生成式人工智能所消耗的能源就可滿足荷蘭這樣一個國家一年的需求。因此，尋求穩定且龐大的能源供應就成爲整個科技圈發展的第一要務。
除了此前提到的微軟，亞馬遜、甲骨文等公司都已開始投資核電供應的數據中心園區或設計由核反應堆供電的數據中心，其中亞馬遜將與美國聯合能源公司星座能源的一座東海岸核能發電廠達成供電協議，而星座能源是美國最大的核能發電廠擁有者之一。
亞馬遜計劃直接從核能發電廠購買電力，以滿足日益擴大的數據中心電力需求，此項計劃與美國約三分之一核能發電廠談判，確保能取得持續且高效的電力供應，而非依賴傳統電網。此外，亞馬遜的子公司早在今年3月以6.5億美元高額收購了賓夕法尼亞州一個可提供高達960兆瓦的電力的核能驅動的數據中心，這個能量級足以供應數十萬家庭使用，值得一提的是，此前從未有企業能接收核能發電廠提供的所有能源，可見AI的“電老虎”本質。
亞馬遜購買的核能源數據中心園區未來可提供1000兆瓦的直供電力
無獨有偶，甲骨文也在財報電話會議上宣佈公司正在設計一個數據中心，預計需要超過1000兆瓦的電力，而這將由三座小型核反應堆爲其提供動力，而且這些反應堆已經獲得了建設許可並已確定了地點。
而由OpenAI創始人山姆奧特曼支持的核能初創公司Oklo也在今年5月上市，有望在2027年前推出其首座採用液態金屬反應堆技術製造的核電站，功率範圍從15兆瓦到50兆瓦不等，被認爲可能是“解決人工智能帶來的極端能源需求的潛在解決方案”，而且有消息稱，該公司已被美國能源部選中並獲得四項成本分攤獎勵，用於推進先進回收技術的商業化，並已從能源部獲得了場地使用許可和來自愛達荷國家實驗室的燃料獎勵。
目前從各大科技巨頭的動向來看，都在考慮核能作爲驅動產品的新能源來源，在競爭激烈的電力市場上，對核能的興趣標誌着命運的逆轉。
過去核能發電廠因難以與風力、太陽能和天然氣發電競爭而導致關閉，但隨着現今許多科技公司願意支付高價以獲得幾乎不間斷的無碳電力，據星座能源CEO約瑟夫・多明格斯表示，這足以使核能發電廠得到有效維護，使用壽命可以延長20年。
科技公司之所以偏好核能，主要是因爲核能可以提供幾乎不間斷的無碳電力，這同時符合減少碳足跡和支持氣候目標的戰略，國際能源署表示，使用核能不僅可以減少排放，還可以讓淨零轉型變得更加便宜。能源專家也表示，若希望減少溫室氣體排放，對能源需求強大的數據中心而言，目前還是得依靠核能，才能滿足AI發展日益增長的電力需求。
05
老態龍鍾的電網基建扯了後腿
科技巨頭們鍾情核電的另一大關鍵原因，就是美國電網的“不給力”，雖然被稱爲“有史以來建造的最複雜機器”，但電網中最重要的基礎設施：電線和變壓器大多已有半個世紀的歷史，完全沒有準備好應對即將出現的電力需求激增。
雖然美國有10家區域性電網運營商，大多數都存在合作關係，但也存在個例。比如得克薩斯州的電網就是一座與全國其他地區完全斷開的“孤島”，在2021年2月的一場極端冬季風暴後大規模停電，因爲無法向其他電網“借電”，造成了近2000億美元的財產損失。
美國的電網屬於各自爲陣，升級困難的典型
你說爲什麼美國不升級電網？雖然大家都清楚升級已有半個世紀歷史的基礎設施非常重要，但建設輸電基礎設施在美國就是一個政治雷區，需要要面臨來自彼此競爭的電力公司、土地所有者以及各懷鬼胎的議員等各方面無休止的反對意見。
所以在美國，有相當多的輸電項目升級已陷入近20年的停滯狀態，私營運營商、聯邦和州議員以及監管機構的優先事項彼此衝突，破壞了許多涉及多個關係不睦的利益相關者，凸顯了支離破碎管理體系的脆弱本質。
與此同時，美國能源領域的供應鏈問題也十分突出，拖慢了新發電項目和輸電工程的上線速度。根據北美電力可靠性委員會日前發佈《2024年夏季可靠性評估報告》，2020年以來，變壓器、傳輸電纜、開關櫃以及光伏板等電力設備在美國的交貨時間都大幅拖長，嚴重影響了新項目建設、升級以及季節性準備工作，整體來看，美國能源供應鏈能力不足的問題正加劇人們對電網可靠性的擔憂。
06
腦洞大開：把算力和供能都扔向太空
傳統電網升級難，核能之外還有別的選項麼？從科技圈的腦洞來看，思路還是挺多的，其中最具野心的莫過於在太空中組建AI計算集羣：既可以直接利用太陽能供電，零下270℃的太空還是被動散熱的最佳環境，不佔地面資源也意味着可以更自由地進行擴展……
這是一家由Y-Combinator投資的創業公司Lumen Orbit所大膽提出的想法，該公司計劃明年發射第一顆衛星，甚至已經在華盛頓州雷德蒙德建立了有效載荷製造工廠，設計並開始建造和測試第一艘航天器，計劃中的第一顆衛星將是一顆60公斤載荷的演示衛星，預計將於 2025 年 5 月作爲SpaceX獵鷹9號火箭的共乘有效載荷發射。而真正可用的微型數據中心則將在2026年進行發射，然後還將每年發射一次更大的迭代，直到服務器總功率達到千兆瓦規模。
根據Lumen Orbit的設想，太空數據中心的運行成本看起來並不高
從整個方案來看，將數據中心搬到太空確實是可行的，尤其是隨着新型的可複用重型運載火箭即將投入使用，再加上在軌網絡的普及，軌道算力的設想或許並不是天方夜譚。
從能源利用的角度來看，地面太陽能發電場的平均容量係數僅爲24%，而太空太陽能電池陣列的容量係數大於 95%，而且沒有晝夜循環，最佳面板方向始終垂直於太陽光線，也不受季節或天氣的影響，發電效率明顯更高，而且是純粹的清潔能源。
再加上現階段數據中心有40%的電能都用於散熱系統，太空幾乎沒有環境溫度波動，可以讓數據中心處於高度穩定的溫度和機械環境中，這有助於熱控制和運行穩定性，零下270℃的環境溫度使得它只需要在避開太陽直射的區域，設計一個大面積的被動式散熱器就能滿足散熱需求，甚至都無需額外電力，把全部太陽能都用在“刀刃”上。
當然，Lumen Orbit也並不是唯一一家打算將AI數據中心送上太空的公司，歐盟資助的項目 ASCEND也一直在研究太空數據中心的可行性，同樣也預計將於2026~2027年發射試驗衛星，計劃在大約1400公里的軌道高度運行，這一高度是國際空間站的兩倍左右。ASCEND預計到2036年部署13個太空數據中心模塊，總容量爲10兆瓦，以實現雲服務商業化的起點。
當然，這些項目目前都還停留在規劃階段，靴子沒有落地之前，一切都只能按PPT來處理，而且即便是理想狀態下，太空數據中心也要五六年以後才能真正開始發揮作用，而對於大型科技企業來說可等不了那麼久，所以核能依然是現階段最符合願景的選擇，但核能在普羅大衆心目中可以說得上“前科累累”，那麼目前的核能發電技術進展如何呢？
07
技術迭代，能否打破核電緊箍咒
核電站的不安全、高成本，以及核電缺乏靈活性，都是核電大規模應用的痼疾，這也是爲什麼在覈電誕生了六十餘年後，核電在全球發電量中佔比依然不足10%。新一代核電技術就是要打破這些陳舊的“緊箍咒”，放大其穩定持續發電的優勢。
當我們在細數2023年以來，核能行業的回溫的種種表現時，需要明白一個現實：之所以各國都在小步快走地推進核電，是因爲其他新能源尚不能獨立支撐能源安全，而核電不僅有“電”的屬性，也有我們無法忘卻的“核”屬性。
在2023年之前，以歐洲爲代表的核電產業實際上呈現出的是減核、棄核趨勢，大型核電站的關閉退役潮成爲一個難以逆轉的潮流。
核電佔比最高的法國此前選擇採取逐步縮減核能的政策，曾在2015年計劃“到2025年將核電比重從75%降到50%”。德國則早在2000年就決定要在2022年關閉境內所有核電站，只不過因爲俄烏衝突的爆發，拖了一年才完成。
要知道，德國核能研究起步非常早，與法國可以並稱爲歐洲兩大核電巨頭，很多人以此來論證核電的風險。
德國已經關停境內所有核電站
事實上，德國、法國關閉的大多是第二代大型核電站，且做出這些決定並不完全是因爲核電技術不夠先進和安全，也不是因爲其他能源已經富足到不需要核電補充，最主要的原因是政黨之間的博弈，這一點我們暫時按下不表。
爲了避免強放射性物質的直接傷害與長期潛在威脅，第二代大型核電站關閉退役也能理解，不過這些問題在新一輪的核電項目上已經有了更安全的技術替代方向：一是在規模上，推行安全低成本的小微型反應堆，二是推進第三代、第四代核電站技術的研發落地。
08
第三代接棒
前文提到，我國目前的新建核電機組計劃應用的都是第三代及以上核電機組，主導堆型爲壓水堆。
在覈電領域，通常把上世紀五六十年代建造的驗證性核電站稱爲第一代；七八十年代標準化、系列化、批量建設的核電站稱爲第二代；第三代則是指90年代開發成熟的先進輕水堆。第四代核電技術則是指正在開發中的新一代核電技術，國際上對其提出了經濟性更好、安全性更高、核廢物最少、防止核擴散能力強等多項要求。
每一代技術的更迭，簡單概括，核心指標就是機組的安全標準不斷提高，事故發生概率不斷降低。
上一代堆型往往構造本身就有一定風險，比如福島核電站。它其實就是上世紀70年代的第二代核電機組，反應堆採用沸水堆（BWR）。這個沸水堆顧名思義，就是用沸騰的水來冷卻核燃料的一種反應堆：冷卻水從反應堆底部流進堆芯，對燃料棒進行冷卻，帶走核燃料棒中核裂變產生的熱能，此後冷卻水溫度升高並逐漸氣化，最終形成蒸汽和水的混合物，經過汽水分離器和蒸汽乾燥器，利用分離出的蒸汽推動汽輪進行發電。
這也意味着，沸水堆的設計中，反應堆堆芯直接與蒸汽發生器相連，產生的蒸汽才能直接驅動汽輪機發電。
這種設計簡化了系統，所以一旦場內外電力喪失，反應堆冷卻系統就會失效，導致反應堆燃料過熱、熔化；堆芯損壞後，燃料溫度增加，冷卻水逐漸氣化，迴路壓力就會增加，所以必須進行釋壓處理，進而造成放射性物質泄漏。在超記錄的自然災害面前，這種設計的弱點更會被放大。
但是壓水堆（PWR）不同，它是採用高壓水來冷卻核燃料的一種堆型，利用高壓水作爲反應堆的冷卻劑和慢化劑。換句話說，壓水堆核電站的工作原理是利用核裂變反應產生的熱量，通過兩次迴路的熱交換，最終將熱能轉化爲電能。值得注意的是，在一回路也就是反應堆壓力容器中，它能通過高壓保持冷卻劑的液態，從而提高熱效率和安全性。
壓水堆並不完全是第三代技術，而是經過不斷改良的新“版本”
與沸水堆堆型相比，壓水堆的確在設計安全性上略勝一籌。法國作爲核電搖擺派，一邊關停老舊核電站，一邊又在籌劃新的核電機組，選擇的也是壓水堆型。今年2月，法國政府計劃向立法機構提交《能源主權法案草案》，將新建核電以達成減碳目標，包括建設六座以上的EPR(歐洲壓水堆)核電機組。
其實壓水堆也不是核電站安全的“金字招牌”：切爾諾貝利事故就發生在壓水堆的改進版本（RBMK）上，三哩島事故同樣也是壓水堆堆型。只不過在最新一代壓水堆技術中——也就是華龍一號福清核電5號機組所應用的技術——已經在前一代的技術儲備和運行經驗基礎上，針對其不足之處開發驗證了新技術。
比如以往核電站能抗6、7級地震，而“華龍一號”的抗震水平在9級以上，同時增加了大量被動安全系統，包括自然循環系統和餘熱排出系統。
設在其安全殼內的三個大容量水箱，在外部電源和動力完全喪失的情況下，依然能夠靠重力利用自然循環將堆芯餘熱排出，保證反應堆堆芯的安全；相比之下，一些老機組更多依賴主動安全系統，也就是電力供能，一旦電力供應中斷，安全系統可能失效。
核電界認爲，三代核電機組大規模放射性物質釋放到環境的可能性大幅降低，只不過“更安全”只是一個相對概念，華龍一號雖然在設計上做了許多改進，但其安全性還不達不到理論上的最優。
09
村裡最有期待的第四代路線
更進一步的便是第四代核電站技術。第四代技術最突出的就是“固有安全性”和“核廢料的減少”，目前掌握第四代核電技術的國家不多，真正發電併網的項目落地更少，技術路線目前還沒有收束至一條上，所以現在對於第四代反應堆並沒有精確的定義。
不過，國際原子能機構（IAEA）倒是選出了的第四代核電站技術中具有代表性的六種反應堆堆型，分別是氣冷快堆、鉛冷快堆、熔鹽反應堆、鈉冷快堆、超臨界水冷反應堆和超高溫氣冷堆。幾種路線的主要區別在於，一是冷卻劑的不同，二是中子增殖特性的不同。
第四代核反應堆的六種主要技術路線
我國選擇的主要是高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個路線。高溫氣冷堆的“固有安全性”是因爲能“自己停堆”，鈉冷快堆的安全性在於鈉作爲冷卻劑，同時由於是“快堆”，核廢料大大減少。
在高溫氣冷堆中，惰性氣體氦氣作爲冷卻劑，石墨則爲“中子減速器”，它具有良好的耐高溫性能，即使出現事故，石墨也能有效地慢化中子，防止反應堆功率失控。此外，我國又自主研製了“耐高溫陶瓷球形燃料元件”，給高溫氣冷堆的核燃料變成了球狀，還穿上了“鎧甲”，能有效防止放射性物質泄漏。
換句話說，高溫氣冷堆的安全性與其獨特的堆芯設計和冷卻劑特性密切相關，所謂的“自己停堆”更準確地說是指其被動安全特性。
獨特的堆芯設計也能提高安全性
業內人士解釋，核裂變是一個鏈式反應，會不斷放熱。“正常的反應堆是通過發電把熱轉化成電，消耗熱能；而如果反應堆故障，就需要人爲冷卻，否則溫度就會越來越高，最後堆芯熔化，只能封堆。”這就是大部分事故後需要漫長的時間解決的主要原因。
“快堆”的全稱是“快中子增殖堆”，上述具有代表性的六種堆型，有三種都是快堆。目前全世界有400多座核電站，主要都是由熱中子引發裂變反應，因而又被稱爲“熱堆”。一般能量在1電子伏特以下的中子被稱爲“熱中子”，以上被稱爲“快中子”。
在天然鈾中，僅有不到1%的鈾235，能夠在熱中子作用下發生裂變反應，而佔天然鈾絕大部分的鈾238卻不能，這意味着，鈾燃料中99%的能量被浪費了。但快堆不一樣，它不會攔截鈾235與鈈239燃料裂變時產生的快中子，因此當快中子轟擊反應區周圍的鈾238時，鈾238會以一定比例將其吸收，產生新的鈈239……於是核燃料會越燒越多，再生速度高於消耗速度，我們這樣的貧鈾國家選擇快堆實在是最理想的。
快堆的好處在於能“變廢爲寶”，同時適合模塊化、低成本、小微型化建造，無論中外，都被視爲最有希望的第四代技術路線。
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編輯｜張毅
審覈｜吳新
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